基于NB-IoT的室内环境监测系统的制作方法

本实用新型涉及室内环境监测技术领域，特别是基于NB-IoT的室内环境监测系统。

背景技术：

近年来，随着我国经济的高速发展，人们生活水平的不断提高，各类污染源也不断增加，尤其是制造领域、化工领域，各类废气的肆意排放使得空气质量状况越来越差，同时随着雾霾天气的频繁出现，空气质量越来越受到人们重视，室内作为人们日常生活的重要场所，其环境质量越来越引起人们的关注，我们迫切的需要知道所处的室内环境状况，从而尽快的从源头上改善环境，然而现状是：依靠我们自身的感知无法知晓所处的环境状况如何，而且现有的各类检测设备比较单一，只能检测某一种污染源或室内温湿度等，不能实现无线获取环境数据和远程监测环境状况。

如今物联网技术已经深入社会生活的方方面面，运用物联网网络技术进行环境状态监测已经成为研究的热点。随着物联网概念的兴起，无线传感器网络和无线通信在很大一部分空间得到广泛的应用。目前，传统方式下，大部分室内环境监测系统采用有线通讯布网方式和人工测量的方法，存在线缆密布、布线困难，组网复杂，测量误差大，作业效率低，使用的线缆成本很高且对电力电缆的依赖性很强，不利于设备安装与拆除升级，且系统不易维护，功耗较大，远距离场合难以实现有效监测。传统的室内环境检测数据需要专门的网关做中间桥梁将数据上传至平台，室内的传感器需要集中在一个具有Zigbee等协议将数据传输至网关，网关通过互联网通讯协议将数据上传至云服务器，从而实现交互，这种方式的缺点是成本高，信号有盲区，但是NB-IoT技术不需要专门的网关，相当于NB-IoT模块直接将数据上传至智能控制终端。

NB-IoT的全称是Narrow Band－Internet of Things，是基于蜂窝网络的窄带物联网技术，聚焦于低功耗广域网，支持物联网设备在广域网的蜂窝数据连接，可直接部署与LTE网络，可降低部署成本和实现平滑升级，是一种可在全球范围内广泛应用的一门物联网技术，他具有如下的优势：

1.良好移动性，满足远程操控；

2.深度覆盖，比GSM高20db的覆盖增益，即使用户在地下也能利用NB-IoT技术进行数据交互；

3.具备支持海量连接的能力，NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接，是传统GSM通信网络连接能力的100倍以上；

4.数据传输速度快，远比2G网络更快；

5.超低功耗,理论上电池寿命十年，省去充电维护麻烦；且成本低；

6.更加安全，支持双向鉴权及空口加密，确保用户数据安全性；

7.更加稳定，提供电信级的接入。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决上述问题，设计了一种基于NB-IoT的室内环境监测系统。

实现上述目的本实用新型的技术方案为，一种基于NB-IoT的室内环境监测系统，包括Zigbee终端节点、Zigbee协调器主机、NB-IoT基站、云服务器和智能控制终端；

所述Zigbee终端节点包括至少一个Zigbee环境监测从机，所述Zigbee环境监测从机随机铺设在被检测室内的相应位置，用于对室内环境指标进行感知和采集；所述Zigbee环境监测从机包括从机Zigbee无线通信模块、从机MCU主控模块、从机电源模块和从机传感器模组；所述从机Zigbee无线通信模块和从机传感器模组均与从机MCU主控模块相连，所述从机电源模块均与从机Zigbee无线通信模块、从机MCU主控模块和从机传感器模组相连，分别对各模块进行供电；

所述Zigbee协调器主机包括主机Zigbee无线通信模块、主机MCU主控模块、主机电源模块、主机传感器模组和NB-IoT模块；所述主机Zigbee无线通信模块、主机传感器模组和NB-IoT模块均与主机MCU主控模块相连，所述主机电源模块均与主机Zigbee无线通信模块、主机MCU主控模块、主机传感器模组和NB-IoT模块相连，分别对各模块进行供电；

所述Zigbee终端节点与Zigbee协调器主机通过Zigbee无线网络通信，将Zigbee环境监测从机采集得到的室内环境指标数据发送至Zigbee协调器主机；所述Zigbee协调器主机通过NB-IoT模块与NB-IoT基站连接，所述Zigbee协调器主机用于集中处理由Zigbee环境监测从机输送的室内环境数据信息；所述NB-IoT基站与云服务器相连，用于将Zigbee协调器主机采集的室内环境数据信息传输并存储在云服务器；

所述智能控制终端与云服务器相连，用于通过云服务器发送指令给Zigbee协调器主机。

进一步地，所述从机传感器模组包括温湿度传感器、CO2传感器、甲醛传感器、TVOC可挥发性气体传感器和PM2.5、PM10传感器，所述从机MCU主控模块通过I²C与温湿度传感器相连，所述从机MCU主控模块分别通过串口与CO2传感器、甲醛传感器、TVOC可挥发性气体传感器和PM2.5、PM10传感器相连；所述主机传感器模组包括温湿度传感器、CO2传感器、甲醛传感器、TVOC可挥发性气体传感器、PM2.5、PM10传感器和烟雾传感器，所述主机MCU主控模块通过I²C与温湿度传感器相连，所述主机MCU主控模块分别通过串口与CO2传感器、甲醛传感器、TVOC可挥发性气体传感器、PM2.5、PM10传感器和烟雾传感器相连；所述温湿度传感器的型号为HDC1080；所述粉尘传感器的型号为D5；所述烟雾传感器的型号为MQ135。

进一步地，所述Zigbee协调器主机还包括M-Bus串口转换模块和用于采集室内热能热量的热量表，所述M-Bus串口转换模块和热量表相连，所述主机MCU主控模块通过串口与M-Bus串口转换模块相连；所述Zigbee协调器主机还包括掉电数据不丢失的E²PROM，且E²PROM的型号为ATC2402，所述主机MCU主控模块通过I²C与E²PROM相连；所述Zigbee协调器主机还包括用于人机交互的触摸屏，所述主机MCU主控模块通过FSMC接口与触膜屏相连。

进一步地，所述从机Zigbee无线通信模块和主机Zigbee无线通信模块均采用CC2530无线收发器。

进一步地，所述从机MCU主控模块和主机MCU主控模块均采用STM32系列单片机。

进一步地，所述NB-IoT模块采用WH-NB73通讯模块。

进一步地，所述WH-NB73通讯模块采用六层电路板构成电路基板。

进一步地，所述WH-NB73通讯模块内置天线和芯片SIM卡，所述天线为板载天线。

进一步地，所述从机电源模块和主机电源模块均采用线性稳压器，且线性稳压器的型号为LM1117-3-3，所述从机电源模块和主机电源模块的输入端均连接有聚合物锂电池或充电器中的一种。

进一步地，所述主机MCU主控模块还通过串口连接有北斗模块。

与现有技术相比，本实用新型具有的优点和有益效果是，

1.本实用新型基于NB-IoT的室内环境监测系统在继承了GPRS室内环境监测功能的同时还拥有海量容量，相同NB-IoT基站通讯用户容量是GPRS室内环境监测的10倍；在相同的使用环境条件下，NB-IoT可实现超长时间待机，PSM状态下功耗可达5μA，NB-IoT模块的待机时间可长达10年以上，新技术信号覆盖更强，可覆盖到室内与地下室。

2.本实用新型中WH-NB73通讯模块的低功耗超长待机工作，全天候提供数据传输，NB-IoT基站拥有海量的连接数，同时接入Zigbee协调器主机可高达到5万个以上，可满足海量的Zigbee协调器主机同时接入；并且NB-IoT模块适合更多安装场景，可覆盖至室内和地下室，无须担心信号覆盖问题，也不需要专业人员维护安装。

3.本实用新型可以同时实现对室内温湿度、CO2、甲醛、TVOC可挥发性气体、PM2.5、PM10、粉尘多个参数同时进行检测和监测，且采用NB-IoT模块，无需布线、费用低廉、容纳Zigbee协调器主机数量更多及易于安装维护，可实现多点检测，远程监测。

附图说明

图1是本实用新型基于NB-IoT的室内环境监测系统的框图示意图；

图2是本实用新型基于NB-IoT的室内环境监测系统中Zigbee协调器主机的框图示意图；

图3是本实用新型基于NB-IoT的室内环境监测系统中Zigbee环境监测从机的框图示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-3所示，一种基于NB-IoT的室内环境监测系统，包括Zigbee终端节点、Zigbee协调器主机、NB-IoT基站、云服务器和智能控制终端；

所述Zigbee终端节点包括至少一个Zigbee环境监测从机，所述Zigbee环境监测从机随机铺设在被检测室内的相应位置，用于对室内环境指标进行感知和采集；所述Zigbee环境监测从机包括从机Zigbee无线通信模块、从机MCU主控模块、从机电源模块和从机传感器模组；所述从机Zigbee无线通信模块和从机传感器模组均与从机MCU主控模块相连，所述从机电源模块均与从机Zigbee无线通信模块、从机MCU主控模块和从机传感器模组相连，分别对各模块进行供电；所述从机传感器模组包括温湿度传感器、CO2传感器、甲醛传感器、TVOC可挥发性气体传感器和PM2.5、PM10传感器，所述从机MCU主控模块通过I²C与温湿度传感器相连，实现对室内温湿度的采集检测和监测，所述从机MCU主控模块分别通过串口与CO2传感器、甲醛传感器、TVOC可挥发性气体传感器和PM2.5、PM10传感器相连，实现对室内CO2、甲醛、TVOC可挥发性气体、PM2.5和PM10多个参数同时进行采集检测和监测；所述Zigbee环境监测从机还包括复位按键，所述复位按键与从机MCU主控模块相连，用于对从机MCU主控模块进行复位；

所述Zigbee协调器主机包括主机Zigbee无线通信模块、主机MCU主控模块、主机电源模块、主机传感器模组和NB-IoT模块；所述主机Zigbee无线通信模块、主机传感器模组和NB-IoT模块均与主机MCU主控模块相连，所述主机电源模块均与主机Zigbee无线通信模块、主机MCU主控模块、主机传感器模组和NB-IoT模块相连，分别对各模块进行供电；所述主机传感器模组包括温湿度传感器、CO2传感器、甲醛传感器、TVOC可挥发性气体传感器、PM2.5、PM10传感器和烟雾传感器，所述主机MCU主控模块通过I²C与温湿度传感器相连，实现对室内温湿度的采集检测和监测，所述主机MCU主控模块分别通过串口与CO2传感器、甲醛传感器、TVOC可挥发性气体传感器、PM2.5、PM10传感器和烟雾传感器相连，实现对室内CO2、甲醛、TVOC可挥发性气体、PM2.5、PM10和烟雾多个参数同时进行采集检测和监测；所述温湿度传感器的型号为HDC1080；所述粉尘传感器的型号为D5；所述烟雾传感器的型号为MQ135；所述Zigbee协调器主机还包括M-Bus串口转换模块和用于采集室内热能热量的热量表，所述M-Bus串口转换模块和热量表相连，所述主机MCU主控模块通过串口与M-Bus串口转换模块相连；所述Zigbee协调器主机还包括掉电数据不丢失的E²PROM，且E²PROM的型号为ATC2402，所述主机MCU主控模块通过I²C与E²PROM相连；E²PROM主要用于存储主机MCU主控模块的IP地址等信息，且具有掉电数据不丢失的性能；所述Zigbee协调器主机还包括用于人机交互的触摸屏，所述主机MCU主控模块通过FSMC接口与触膜屏相连，所述触摸屏用于操作者输入信息以及对各种数据信息进行显示，便于操作者在本地端的使用；所述主机MCU主控模块还通过串口连接有北斗模块，具有定位功能，可以实现对Zigbee协调器主机的定位，从智能控制终端上可以了解Zigbee协调器主机所处的位置是处于哪个小区及楼层，可以结合Zigbee协调器主机内的IP地址更快捷方便的了解Zigbee协调器主机所处的具体位置，便于寻找到相应的Zigbee协调器主机及了解Zigbee协调器主机的使用状态；

所述Zigbee终端节点与Zigbee协调器主机通过Zigbee无线网络通信，将Zigbee环境监测从机采集得到的室内环境指标数据发送至Zigbee协调器主机；所述Zigbee协调器主机通过NB-IoT模块与NB-IoT基站连接，所述Zigbee协调器主机用于集中处理由Zigbee环境监测从机输送的室内环境数据信息；所述NB-IoT基站与云服务器相连，用于将Zigbee协调器主机采集的室内环境数据信息传输并存储在云服务器；

所述智能控制终端与云服务器相连，用于通过云服务器发送指令给Zigbee协调器主机。基于NB-IoT的室内环境监测系统在继承了GPRS室内环境监测功能的同时还拥有海量容量，相同NB-IoT基站通讯用户容量是GPRS室内环境监测的10倍；在相同的使用环境条件下，NB-IoT可实现超长时间待机，PSM状态下功耗可达5μA，NB-IoT模块的待机时间可长达10年以上，新技术信号覆盖更强，可覆盖到室内与地下室。

所述从机Zigbee无线通信模块和主机Zigbee无线通信模块均采用CC2530无线收发器，CC2530无线收发器有USART0和USART1两个串行通信接口，它们能够分别运行于异步UART模式或同步SPI模式；两个USART具有同样的功能，可以设置在单独的IO引脚；本系统选择USART0串口通信接口，工作于UART模式下；CC2530无线收发器，基于2.4GHzZigbee，该CC2530无线收发器支持国际IEEE 802.15.4标准及Zigbee、Zigbee PRO和Zigbee RF4CE标准，不仅具有优秀的RF性能、选择性和业界标准增强型8051MCU内核，支持一般的低功耗无线通信，还配备TI公司的一个标准兼容或专有的网络协议栈来简化开发。具有可编程256KB闪存和一些其他强大功能，该CC2530无线收发器拥有丰富的外接端口，可运行在多种模式下满足各种系统不同环境下低功耗要求，是一个真正的片上系统SoC解决方案；由于CC2530无线收发器具有不同的运行模式，尤其适应超低功耗要求的系统，运行模式之间的转换时间短，进一步确保了低功耗消耗。从机电源模块和主机电源模块均采用线性稳压器，且线性稳压器的型号为LM1117-3-3，所述从机电源模块和主机电源模块的输入端均连接有聚合物锂电池或充电器中的一种，其中，充电器将将市电220VAC转换成5VDC，聚合物锂电池可以直接提供5V电压，当市电断电或者不便连接市电时，可以直接采用聚合物锂电池，为监测系统的实用提供了便利；LM1117-3-3将5VDC电压转换并稳定在3.3VDC，其具有低功耗、低跌落电压、低温漂，输出稳压容差在±3％等特点，为要求在3.3VDC电压下工作的CC2530无线收发器提供稳定的电压。从机MCU主控模块和主机MCU主控模块均采用STM32系列单片机，其具有丰富的串口和I²C接口。

NB-IoT模块采用WH-NB73通讯模块，WH-NB73通讯模块的低功耗超长待机工作，全天候提供数据传输，NB-IoT基站拥有海量的连接数，同时接入Zigbee协调器主机可高达到5万个以上，可满足海量的Zigbee协调器主机同时接入；并且NB-IoT模块适合更多安装场景，可覆盖至室内和地下室，无须担心信号覆盖问题，也不需要专业人员维护安装；所述WH-NB73通讯模块采用六层电路板构成电路基板，具有更好的射频表现和稳定性；所述WH-NB73通讯模块内置天线和芯片SIM卡，所述天线为板载天线，减少了设计外接天线的成本和烦恼；支持内置芯片SIM卡，减少体积，降低设计复杂度，提高稳定性。

工作原理：Zigbee协调器主机通过主机电源模块上电后，由启动代码来初始化软硬件模块，然后Zigbee协调器主机会扫描信道，查看是否建立Zigbee无线通信网络成功，如果成功，整个Zigbee协调器主机就进入无线监控模式下，当有Zigbee终端节点请求加入Zigbee无线通信网络时，Zigbee协调器主机会自动分配地址，最后将新的网络Zigbee终端节点地址存储管理，更新和显示关联设备的数据，Zigbee协调器主机便会接收Zigbee环境监测从机传送来的数据，并将其传送至NB-IoT基站，然后指令请求中断返回，形成一个多循环实时监测数据模式。

Zigbee环境监测从机中的从机传感器模组进行室内温湿度、CO2、甲醛、TVOC可挥发性气体、PM2.5和PM10多个参数的采集，并通过串口将采集的室内环境数据信息传输至STM32系列单片机的第一MCU主控模块，第一MCU主控模块对采集到的数据分析和存储，从机MCU主控模块通过串口连接从机Zigbee无线通信模块，通过采用CC2530无线收发器的从机Zigbee无线通信模块将采集到的数据通过天线无线连接的Zigbee无线网络发送至Zigbee协调器主机；

Zigbee协调器主机中的主机传感器模组进行室内温湿度、CO2、甲醛、TVOC可挥发性气体、PM2.5、PM10、烟雾和热能热量多个参数的采集，Zigbee协调器主机还包括掉电数据不丢失的E²PROM，E²PROM主要用于存储第二MCU主控模块的IP地址等信息，且具有掉电数据不丢失的性能；所述Zigbee协调器主机还包括用于人机交互的触摸屏，所述触摸屏用于操作者输入信息以及对各种数据信息进行显示，便于操作者在本地端的使用；

Zigbee环境监测从机采集的数据通过从机Zigbee无线通信模块和主机Zigbee无线通信模块之间的Zigbee无线网络与Zigbee协调器主机通信，将数据传输给Zigbee协调器主机，Zigbee协调器主机中的主机MCU主控模块将收到的室内环境数据信息分析处理，然后通过NB-IoT模块利用NB-IoT专网将数据发送NB-IoT基站，NB-IoT基站与云服务器相连，用于将Zigbee协调器主机采集的室内环境数据信息传输并存储在云服务器；智能控制终端与云服务器相连，用于通过云服务器发送指令给Zigbee协调器主机或接收Zigbee协调器主机采集的数据信息，可以实现手机应用客户端等智能控制终端能够实时查看监测到的环境数据，云服务器将数据传输给实时的PC机监测平台等智能控制终端，监测平台同时对多个室内现场Zigbee终端节点采集的数据进行实时的存储、分析和屏幕图像的交替显示，同时通过在采集Zigbee终端节点时需要设置不同的发送数据时间间隔，避免彼此之间发生干扰，然后将各Zigbee终端节点的数据存储到云服务器的数据库中，方便以后查看数据。

具体为：Zigbee协调器主机编号为1号，Zigbee环境监测从机依次编号为2号、3号直至N号，1号Zigbee协调器主机首先通过Zigbee无线网络向2号Zigbee环境监测从机发命令，请求2号Zigbee环境监测从机采集数据，Zigbee环境监测从机中的从机Zigbee无线通信模块将采集命令通过串口发送至从机MCU主控模块，由从机MCU主控模块给从机传感器模组发送采集命令，从机传感器模组接收指令并开始采集室内环境数据信息，然后将采集的室内环境数据信息回传给从机MCU主控模块，从机MCU主控模块通过从机Zigbee无线通信模块将采集的室内环境数据信息发送给Zigbee协调器主机，Zigbee环境监测从机每隔10分钟进行一次采样，完成数据采集、发送之后，自动进入休眠状态，直至下一个采样周期唤醒；采集结束后，1号Zigbee协调器主机再向3号Zigbee环境监测从机发命令，依次执行下去，直至向N号Zigbee环境监测从机发命令；同时Zigbee协调器主机中的主机传感器模组对室内环境数据进行采集，以及热量表对进水口和回水口的数据进行采集，通过连接的M-Bus串口转换模块将数据发送至主机MCU主控模块，最终由NB-IoT模块通过NB-IoT专网将采集的室内环境数据信息发送至NB-IoT基站，最终发送至云服务器，用于对室内环境信息进行分析和存储，由智能控制终端的手机应用客户端或PC机对数据进行显示以及发送采集命令。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。